Luận văn thiết kế và thi công nhà thông minh

SAIGON TECHNOLOGY UNIVERSITY BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ SÀI GỊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG NHÀ THÔNG MINH GVHD: ThS TRẦN THỊ THU THẢO SVTH: HUỲNH TUẤN KIỆT TRẦN ĐẠI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh Tháng 07/2018 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu nhóm thực đề tài hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học đƣợc giao Em xin chân thành gửi lời cám ơn đến: Ban Giám Hiệu, Các cán công nhân viên nhà trƣờng giúp đỡ em suốt thời gian học tập trƣờng Ban Chủ Nhiệm Khoa Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử dạy em kiến thức chuyên ngành Các bạn đồng hành với em suốt trình học tập nghiên cứu Đặc biệt xin gửi lời tri ân đến cô TRẦN THỊ THU THẢO, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn đề tài nghiên cứu khoa học hỗ trợ cho em nhiều kiến thức, tài liệu sở vật chất để em hồn thành tốt đề tài Sinh viên thực TRẦN ĐAI NGHĨA HUỲNH TUẤN KIỆT TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hệ thống nhà thông minh đƣợc thiết kế dựa kết hợp vi điều khiển Atmega2560 module SIM800 kết nối điều khiển thiết bị nhà để phát đƣợc cố nhƣ: cháy, rò rỉ khí gas, có trộm Hệ thống tự động phản hồi có cố xảy Hệ thống báo cháy, báo rị rỉ khí gas, chống trộm đƣợc thiết kế khơng sử dụng nhà mà cịn áp dụng phân xƣởng may, căn-tin,… Khi cấp nguồn cho Arduino Mega2560 vi điều khiển ATmega2560 giao tiếp với module SIM800 Module phải đƣợc gắn sim nhà cung cấp dịch vụ cần phải có chức nhƣ điện thoại di động để kết nối với vi điều khiển Khi xảy cố (cháy, trộm, rị rỉ gas) cảm biến gữi tín hiệu truyền trung tâm Tại trung tâm báo cố diễn hoạt động xử lý tín hiệu truyền theo chƣơng trình cài đặt vào vi điều khiển để đƣa tín hiệu thơng báo khu vực xảy cố qua loa trung tâm Đồng thời thực nhiệm vụ đề nhắn tin gọi điện thoại cho chủ nhà Kết cấu luận văn nhóm em gồm chƣơng nhƣ sau: CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ MỤC LỤC CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Tính cấp thiết đề tài: 1.1.2 Hƣớng giải 1.2 MỤC TIÊU CỦA LVTN 1.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: CHƢƠNG TỔNG QUAN 2.1 ARDUINO MEGA 2560 R3 2.1.1 Vi điều khiển 2.1.2 Nguồn hoạt động cho Arduino 2.1.3 Các chân lƣợng 2.2 CẢM BIẾN KHÍ GAS 2.2.1 Cấu tạo 2.2.2 Thông số kỹ thuật 2.3 CẢM BIẾN HỒNG HỒNG NGOẠI IR 2.3.1 Thông số kỹ thuật 11 2.4 CẢM BIẾN KHÍ CO MQ-7 12 2.4.1 Cấu tạo 12 2.4.2 Thông số kỹ thuật: 13 2.5 GIỚI THIỆU MODULE GSM/GPS SIM800 13 2.5.1 Thông số kỹ thuật 14 2.5.2 Chức chân: 14 2.5.3 Nguồn cấp 15 2.5.4 Mơ tả đặc tính chân SIM800 15 2.5.5 Bật ứng dụng GSM module SIM800: 19 2.5.6 Tắt ứng dụng GSM module SIM800: 19 2.5.7 Truyền thông nối tiếp 20 2.5.8 Trạng thái mạng GSM qua chân NETLIGHT 21 2.5.9 Ứng dụng GSM module SIM800: 22 2.6 MẠCH GIẢM ÁP 31 2.7 MODULE RELAY KÊNH 31 2.8 CÒI HÚ HC1000 32 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 33 3.1 ĐẶT RA BÀI TOÁN GIẢI QUYẾT 33 3.2 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT 33 3.3 SƠ ĐỒ KHỐI MƠ HÌNH 34 3.4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ HÌNH 35 3.4.1 Sơ đồ mơ hình nhà 35 3.4.2 Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh 36 3.5 THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH CHO MƠ HÌNH 40 3.5.1 khối báo cháy 40 3.5.2 Khối báo gas 42 CHƢƠNG 46 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 46 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 46 4.1.1 Lựa chọn đƣợc phƣơng pháp hợp lý để thiết kế: 46 4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MẶT THỰC NGHIỆM 46 CHƢƠNG 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 5.1 KẾT LUẬN 47 5.2 KIẾN NGHỊ 47 PHẦN PHỤ LỤC 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Tính cấp thiết đề tài: Cùng với phát triển hệ thống thông minh, ngành tự động hóa phát triển tạo bƣớc ngoặc quan trọng lĩnh vực nhà thông minh phục vụ nhu cầu ngày cao ngƣời đời sống Tại Việt Nam bắt đầu có nhiều cơng ty chuyên lắp đặt nhà hệ thống thông minh phải kể đến cơng ty BKAV CEO Nguyễn Tử Quảng ấp ủ dự án nhà thông minh điều khiển điện thoại tản Android từ năm 2011 đến thi công cho nhiều dự án nƣớc Trong năm gần đây, nhà thông minh (smart home) xuất đƣợc ứng dụng rộng rãi sống từ khách sạn hay resort sang trọng nhà đại đƣơc lắp đặt hệ thống điều khiển thông minh Theo xu hƣớng phát triển đó, nhóm em định lựa chọn thực nghiên cứu đề tài: “ THIẾT KẾ & THI CÔNG NGÔI NHÀ THÔNG MINH ” 1.1.2 Hƣớng giải Đồ án đƣợc nghiên cứu, khảo sát thực với mục đích áp dụng kiến thức đƣợc học nhà trƣờng để thiết kế, tạo hệ thống quản lý, hệ thống cảnh báo nhà cách hồn chỉnh Hệ thống tích hợp mạch Arduino điều khiển giám sát trung tâm kết nối với module sim cho cảm biến nhà nhằm mục đích phát hiện, báo động cố qua điện thoại Với module báo trộm sử dụng cảm biến hồng ngoại gửi thông tin liệu xử lí trung tâm có tác động đối tƣợng bên (ngƣời lạ đột nhập) Module cảm biến khí gas/cảm biến khói gửi thơng tin liệu xử lý trung tâm có khí gas bị rị rỉ/ nồng độ khói nhà tăng q giới hạn quy định Qua xử lý, liệu đƣợc gửi thiết bị đầu cuối (mobile) ngƣời điều khiển để báo cho chủ nhân biết có tác động đối tƣợng bên (ngƣời lạ đột nhập), cháy hay khí gas rị rỉ để có phƣơng án giải kịp thời 1.2 MỤC TIÊU CỦA LVTN Thiết kế thi công mạch đạt yêu cầu sau: – Phát cháy cách nhanh chóng, kịp thời, nhắn tin gọi điện thoại cho chủ nhà – Phát nồng độ khí gas vƣợt mức cho phép thông báo cho chủ nhà – Phát chuyển động nhà chủ nhà vắng để thơng báo ngơi nhà có trộm đột nhập 1.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết: – Các chế độ hoạt động module SIM – Nguyên lý hoạt động cảm biến MQ5, MQ7, cảm biến hồng ngoại – Sơ đồ kết nối chân cảm biến với Arduino – Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, lắp ráp chi tiết cho mơ hình hồn thiện Nghiên cứu thực nghiệm: – Xây dựng mô hình ngơi nhà thơng minh có hệ thống báo cháy, báo rị rỉ khí gas, báo trộm nhà qua điện thoại để kiểm chứng kết lý thuyết Phạm vi nghiên cứu: – Do mơ hình mơ lại ngơi nhà thực tế, khơng gian làm việc bị hạn chế việc sử dụng cảm biến luận văn bị khơng đạt hiệu suất cao áp dụng ngồi thực tế song mơ hình đảm bảo thực đầy đủ nhiệm vụ nhƣ báo gas rị rỉ, báo cháy có khả chống trộm CHƢƠNG TỔNG QUAN 2.1 ARDUINO MEGA 2560 R3 Arduino Mega 2560 phiên nâng cấp Arduino Mega hay gọi Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn với Arduino Mega 1280 chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 với flash memory 128KB, SRAM 8KB EEPROM KB Hình 2.1 Arduino Mega 1280 Cịn Arduino Mega 2560 phiên đƣợc sử dụng rộng rãi ứng dụng nhiều Với chip ATmega2560 có nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho nhớ SRAM, KB cho nhớ EEPROM Giúp cho ngƣời dùng thêm khả viết chƣơng trình phức tạp điều khiển thiết bị lớn nhƣ máy in 3D, điều khiển robot Hình 2.2 Arduino Mega 2560 Ngồi có phiên khác nhƣ Arduino Mega ADK hay Arduino DUE với tính cao cấp Arduino Mega 2560 vi điều khiển hoạt động dựa chip ATmega2560 bao gồm:  54 chân digital (trong có 15 chân đƣợc sủ dụng nhƣ chân PWM từ chân số → 13 chân 44 45 46)  ngắt ngoài: chân (interrupt 0), chân (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)  16 chân vào analog (từ A0 đến A15)  cổng Serial giao tiếp với phần cứng: Bảng 2.1 Cổng giao tiếp với phần cứng CỔNG SERIAL CHÂN RX CHÂN TX Cổng 0 Cổng 19 18 Cổng 17 16 Cổng 15 14 thạch anh với tần số dao động 16 MHz  cổng kết nối USB  jack cắm điện  đầu ICSP  nút reset Đối với quan tâm tới Matlab Arduino Mega 2560 chọn lựa tuyệt vời Vì cịn đƣợc tích hợp sẵn thƣ viện dành cho MatLab Với viêc kết hợp Matlab Arduino kết hợp thú vị Arduino Mega 2560 sử dụng hầu hết shiled dành cho mạch Arduino Uno hay mạch trƣớc nhƣ Duemilanove hay Diecimila với cách cài đặt nối chân tƣơng tự nhƣ Arduino Uno  Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật 2.1.1 Vi điều khiển Sử dụng chip Atmega2560 chip xử lý trung tâm Arduino Mega 2560 với cấu hình mạnh Thơng số chi tiết:  Điện áp hoạt động: 5V  Số chân Digital: 100 (15 chân PWM)  Số chân Analog: 16  Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader  SRAM: KB  EEPROM: KB  Xung clock: 16 MHz Hình 2.3 Chip Atmega2560 43 Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao ga"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao ga"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); Gsm_MakeCall(myphone1); iii = 1; } } else { iii = 0; } // Test tin nhan 44 3.5.3 Khối báo trộm Hình 3.14 Lƣu đồ khối chống trộm Chƣởng trình nạp: ir1 = digitalRead(cb_ir1); // Serial.print("ir "); //Serial.println(ir1); delay(100); if ((ir1 == 0)&(nut2==0)) { if (ip == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); 45 delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao trom cua so"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao trom cua so"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); Gsm_MakeCall(myphone1); ip = 1; } } else { ip = 0; } // Test tin nhan 46 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4.1.1 Lựa chọn đƣợc phƣơng pháp hợp lý để thiết kế: ⁻ Linh kiện để thiết kế đáp ứng đƣợc nhu cầu cần thiết để tạo mơ hình với u cầu đƣợc giao ⁻ Phần cứng mơ hình nhìn chung hoạt động ổn định, cảm biến chống trộm hoạt động tƣơng đối ổn định nhiên chậm , cảm biến khí gas khí CO hoạt động nhanh, nhạy với cố test ⁻ Cảnh báo qua loa tƣơng đối lớn ⁻ Cảnh báo qua tin nhắn gọi điện hoạt động ổn định 4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MẶT THỰC NGHIỆM Hình 4.1 Mơ hình ngơi nhà thơng minh hồn tất 47 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN – Những đạt đƣợc:  Mô hình hồn tất  Hồn thành kết nối cảm biến với Arduino  Hoàn thành cảnh báo cháy qua báo động, tin nhắn gọi điện  Hoàn thành cảnh báo gas qua báo động, tin nhắn gọi điện  Hoàn thành cảnh báo chống trộm qua báo động, tin nhắn gọi điện  Kỹ làm việc nhóm – Những chƣa đạt đƣợc:  Mơ hình chƣa đƣợc nhƣ mong muốn  Tốc độ phản hồi cố chậm 5.2 KIẾN NGHỊ  Nguồn lƣợng dự phòng lấy từ pin lƣợng mặt trời  Kết nối Arduino với internet wifi  Liên hệ thực tế với công ty lĩnh vực điều khiển thông minh  Điều khiển thông qua giọng nói 48 PHẦN PHỤ LỤC CHƢƠNG TRÌNH NẠP CỦA ARDUINO #include SoftwareSerial mySerial(3, 2); #define cb_chay1 A0 #define cb_chay2 A1 // RX, TX // khai báo cảm biến cháy chân A0 // khai báo cảm biến cháy chân A1 #define cb_chay3 A2 #define cb_ga A3 #define cb_ir1 #define cb_ir2 #define coi 10 int chay1 = 0, chay2 = 0, chay3 = 0, ga = 0, ir1 = 0, ir2 = 0;// đặt cảm biến vị trí LOW int i = 0, ii = 0, iii = 0, ia = 0, ip = 0, ipp = 0, nut1 = 0, nut2 = 0;// đặt giá trị biến =0 const String myphone = "01633978693"; // đặt số điện thoại const String myphone1 = "0925318920"; // đặt số điện thoại void Gsm_Init(); void Gsm_MakeCall(String phone); // cấu hình module sim800 // Ham goi dien void Gsm_MakeSMS(String phone, String content); // Ham nhan tin void setup() { //Serial.begin(9600); mySerial.begin(9600); // khởi tạo port nối tiếp 9600 bps // tốc độ truyền liệu 9600 pinMode (cb_ir1, INPUT); // đặt cảm biến chống trộm input pinMode (cb_ir2, INPUT); // đặt cảm biến chống trộm input pinMode (12, INPUT); //đặt nút1 chân pwm 12 input 49 pinMode (13, INPUT); pinMode (coi, OUTPUT); // đặt nút2 chân pwm 13 input // đặt còi output Gsm_Init(); Gsm_MakeCall(myphone); // Test cuoc goi Gsm_MakeSMS(myphone, "He thong da duoc khoi dong"); // Test tin nhan } void loop() { //////////////////////// chay2 = analogRead(cb_chay2); // gọi cb_chay2 =chay2 //Serial.print ("chay2 "); Serial.println (chay2); delay(100); if (chay2 > 190) // mức độ khí CO >190 { if (ii == 0) // biến ii so sánh =0 { digitalWrite(coi, HIGH); // tiếng còi bật lên 3s tắt delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao chay P2"); delay(3000); // Test tin nhan vào sim 93 // sau 3s Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao chay P2"); // Test tin nhan vào sim 20 50 delay(3000); // sau 3s Gsm_MakeCall(myphone); // tự gọi điện thoại cho sim 93 Gsm_MakeCall(myphone1); // tự gọi điện thoại cho sim 20 ii = 1; // đƣa biến giá trị =1 } } else { ii = 0; // trả biến giá trị ban đầu ( vòng lặp) } ////////////////////// chay3 = analogRead(cb_chay3); // gọi cb_chay3= chay3 /// Serial.print ("chay3 "); Serial.println (chay3); delay(100); if (chay3 > 220) { if (ia == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao chay P3"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao chay P3"); delay(3000); // Test tin nhan 51 Gsm_MakeCall(myphone1); Gsm_MakeCall(myphone); ia = 1; } } else { ia = 0; } ///////////////////// ga = analogRead(cb_ga); // Serial.print ("ga "); Serial.println (ga); delay(100); if (ga > 200) { if (iii == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao ga"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao ga"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); // Test tin nhan 52 Gsm_MakeCall(myphone1); iii = 1; } } else { iii = 0; } ////////////////////////// chay1 = analogRead(cb_chay1); //Serial.print ("chay1 "); Serial.println (chay1); delay(100); if (chay1 > 240) { if (i == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao chay P1"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao chay P1"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); Gsm_MakeCall(myphone1); // Test tin nhan 53 i = 1; } } else { i = 0; } ////////////// */ ir1 = digitalRead(cb_ir1); // Serial.print("ir "); //Serial.println(ir1); delay(100); if ((ir1 == 0)&(nut2==0)) { if (ip == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao trom cua so"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao trom cua so"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); Gsm_MakeCall(myphone1); ip = 1; // Test tin nhan 54 } } else { ip = 0; } //////////// ir2 = digitalRead(cb_ir2); //Serial.print("ir "); //Serial.println(ir2); delay(100); if ((ir2 == 0)&(nut1==0)) { if (ipp == 0) { digitalWrite(coi, HIGH); delay(3000); digitalWrite(coi, LOW); Gsm_MakeSMS(myphone, "canh bao trom cua chinh"); // Test tin nhan delay(3000); Gsm_MakeSMS(myphone1, "canh bao trom cua chinh"); delay(3000); Gsm_MakeCall(myphone); Gsm_MakeCall(myphone1); ipp = 1; } // Test tin nhan 55 } else { ipp = 0; } nut1 = digitalRead(13); Serial.println(nut1); nut2 = digitalRead(12); Serial.println(nut2); } ////////////////////////// void Gsm_MakeCall(String phone) { mySerial.println("ATD" + phone + ";"); delay(10000); mySerial.println("ATH"); // Goi dien // Sau 10s // Ngat cuoc goi delay(3000); } void Gsm_MakeSMS(String phone, String content) { mySerial.println("AT+CMGF=1");// lệnh cài đặt định dạng tin nhắn nhận ( văn bản) delay(500); mySerial.write("AT+CMGDA=DEL ALL\r");// lệnh xóa tất tin nhắn delay(500); mySerial.println("AT+CMGS=\"" + phone + "\""); delay(500); // Lenh gui tin nhan // Cho ky tu '>' phan hoi ve 56 mySerial.println(content); // Gui noi dung delay(500); mySerial.write (0X1A); delay(5000); // delay 5s } void Gsm_Init() { delay(20000); mySerial.println("ATE0"); // Tat che phan hoi (Echo mode) delay(1000); mySerial.println("AT+IPR=9600"); // Dat toc truyen nhan du lieu 9600 bps delay(1000); mySerial.println("AT+CMGF=1"); // định dạng tin nhắn văn delay(1000); mySerial.println("AT+CNMI=2,2"); delay(1000); } // Hien thi noi dung tin nhan có tn đến 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO + TS TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN-KS PHẠM QUANG HUY, Hướng dẫn sử dụng ARDUINO, nhà xuất THANH NIÊN + PHẠM QUANG HUY-LÊ CẢNH TRUNG,Bài Tập Thực Hành Arduino - Lập Trình Điều Khiển Với Arduino, nhà xuất KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT + TS LÊ MỸ HÀ-KS PHẠM QUANG HUY, Lập Trình Iot Với Arduino, nhà xuất THANH NIÊN + vi.wikipedia.org + At-sky.com.vn + www.Arduino.vn + www.Tapit.vn + www.dientuvietnam.net + www.theengineeringprojects.com + www.electronicshub.org